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    content="霜序廿的个人网站">
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  <title>网络协议分层详细介绍</title>
  
    
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  <script>
    function loadScript(url, cb) {
      var script = document.createElement('script');
      script.src = url;
      if (cb) script.onload = cb;
      script.async = true;
      document.body.appendChild(script);
    }
    function loadCSS(href, data, attr) {
      var sheet = document.createElement('link');
      sheet.ref = 'stylesheet';
      sheet.href = href;
      sheet.dataset[data] = attr;
      document.head.appendChild(sheet);
    }
    function changeCSS(cssFile, data, attr) {
      var oldlink = document.querySelector(data);
      var newlink = document.createElement("link");
      newlink.setAttribute("rel", "stylesheet");
      newlink.setAttribute("href", cssFile);
      newlink.dataset.prism = attr;
      document.head.replaceChild(newlink, oldlink);
    }
  </script>
  
    
      
      
      
      
        
        
        
        <script>
          function prismThemeChange() {
            if(document.getElementById('theme-color').dataset.mode === 'dark') {
              if(document.querySelector('[data-prism]')) {
                changeCSS('/js/lib/prism/prism-tomorrow.min.css', '[data-prism]', 'prism-tomorrow');
              } else {
                loadCSS('/js/lib/prism/prism-tomorrow.min.css', 'prism', 'prism-tomorrow');
              }
            } else {
              if(document.querySelector('[data-prism]')) {
                changeCSS('/js/lib/prism/prism.min.css', '[data-prism]', 'prism');
              } else {
                loadCSS('/js/lib/prism/prism.min.css', 'prism', 'prism');
              }
            }
          }
          prismThemeChange()
        </script>
      
      
        
        <link rel="stylesheet" href="/js/lib/prism/prism-line-numbers.min.css">
      
    
  
  <script>
    // control reverse button
    var reverseDarkList = {
      dark: 'light',
      light: 'dark'
    };
    var themeColor = {
      dark: '#1c1c1e',
      light: '#fff'
    }
    // get the data of css prefers-color-scheme
    var getCssMediaQuery = function() {
      return window.matchMedia('(prefers-color-scheme: dark)').matches ? 'dark' : 'light';
    };
    // reverse current darkmode setting function
    var reverseDarkModeSetting = function() {
      var setting = localStorage.getItem('user-color-scheme');
      if(reverseDarkList[setting]) {
        setting = reverseDarkList[setting];
      } else if(setting === null) {
        setting = reverseDarkList[getCssMediaQuery()];
      } else {
        return;
      }
      localStorage.setItem('user-color-scheme', setting);
      return setting;
    };
    // apply current darkmode setting
  </script>
  
    <script>
      var setDarkmode = function(mode) {
      var setting = mode || localStorage.getItem('user-color-scheme');
      if(setting === getCssMediaQuery()) {
        document.documentElement.removeAttribute('data-user-color-scheme');
        localStorage.removeItem('user-color-scheme');
        document.getElementById('theme-color').content = themeColor[setting];
        document.getElementById('theme-color').dataset.mode = setting;
        prismThemeChange();
      } else if(reverseDarkList[setting]) {
        document.documentElement.setAttribute('data-user-color-scheme', setting);
        document.getElementById('theme-color').content = themeColor[setting];
        document.getElementById('theme-color').dataset.mode = setting;
        prismThemeChange();
      } else {
        document.documentElement.removeAttribute('data-user-color-scheme');
        localStorage.removeItem('user-color-scheme');
        document.getElementById('theme-color').content = themeColor[getCssMediaQuery()];
        document.getElementById('theme-color').dataset.mode = getCssMediaQuery();
        prismThemeChange();
      }
    };
    setDarkmode();
    </script>
  
  
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            <main class="main-column">
<article class="card card-content">
  <header>
    <h1 class="post-title">
      网络协议分层详细介绍
    </h1>
  </header>
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    <time datetime="2022-01-15T11:29:15.416Z">
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      <span>2022-01-15</span>
    </time>
    
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          技术文章
        </a>
      
    
    
      <span class="dot"></span>
      <span>2.1k 字</span>
    
  </div>
  
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        <i 
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        </i>
        
          
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            网络
          </a>
        
      </div>
    </div>
  
  </header>
  <div 
    id="section" 
    class="post-content">
    <h2 id="前言"><a href="#前言" class="headerlink" title="前言"></a>前言</h2><p>要摸清网络，那么第一步肯定是要清楚网络协议的分层结构，看分层结构相当于从上帝视角来看网络，这样后续针对每一个层深入学习就不会摸不着头脑。</p>
<p>对于同一台设备上的进程间通信，有很多种方式，比如有管道、消息队列、共享内存、信号等方式，而对于不同设备上的进程间通信，就需要网络通信，而设备是多样性的，所以要兼容多种多样的设备，就协商出了一套<strong>通用的网络协议</strong>。</p>
<p>这个网络协议是分层的，每一层都有各自的作用和职责，接下来就分别对每一层进行介绍。</p>
<h2 id="应用层"><a href="#应用层" class="headerlink" title="应用层"></a>应用层</h2><p>最上层的，也是我们能直接接触到的就是<strong>应用层</strong>（<em>Application Layer</em>），我们电脑或手机使用的应用软件都是在应用层实现。那么，当两个不同设备的应用需要通信的时候，应用就把应用数据传给下一层，也就是传输层。</p>
<p>所以，应用层只需要专注于为用户提供应用功能，不用去关心数据是如何传输的，就类似于，我们寄快递的时候，只需要把包裹交给快递员，由他负责运输快递，我们不需要关心快速是如何被运输的。</p>
<p>而且应用层是工作在操作系统中的用户态，传输层及以下则工作在内核态。</p>
<h2 id="传输层"><a href="#传输层" class="headerlink" title="传输层"></a>传输层</h2><p>应用层的数据包会传给传输层，<strong>传输层</strong>（<strong>Transport Layer</strong>）是为应用层提供网络支持的。</p>
<p>在传输层会有两个传输协议，分别是 TCP 和 UDP。</p>
<p>TCP 的全称叫传输层控制协议（<em>Transmission Control Protocol</em>），大部分应用使用的正是 TCP 传输层协议，比如 HTTP 应用层协议。TCP 相比 UDP 多了很多特性，比如流量控制、超时重传、拥塞控制等，这些都是为了保证数据包能可靠地传输给对方。 </p>
<p>UDP 就相对很简单，简单到只负责发送数据包，不保证数据包是否能抵达对方，但它实时性相对更好，传输效率也高。当然，UDP 也可以实现可靠传输，把 TCP 的特性在应用层上实现就可以，不过要实现一个商用的可靠 UDP 传输协议，也不是一件简单的事情。</p>
<p>应用需要传输的数据可能会非常大，如果直接传输就不好控制，因此当传输层的数据包大小超过 MSS（TCP 最大报文段长度） ，就要将数据包分块，这样即使中途有一个分块丢失或损坏了，只需要重新这一个分块，而不用重新发送整个数据包。在 TCP 协议中，我们把每个分块称为一个 <strong>TCP 段</strong>（<em>TCP Segment</em>）。</p>
<p>当设备作为接收方时，传输层则要负责把数据包传给应用，但是一台设备上可能会有很多应用在接收或者传输数据，因此需要用一个编号将应用区分开来，这个编号就是<strong>端口</strong>。</p>
<p>比如 80 端口通常是 Web 服务器用的，22 端口通常是远程登录服务器用的。而对于浏览器（客户端）中的每个标签栏都是一个独立的进程，操作系统会为这些进程分配临时的端口号。</p>
<p>由于传输层的报文中会携带端口号，因此接收方可以识别出该报文是发送给哪个应用。</p>
<h2 id="网络层"><a href="#网络层" class="headerlink" title="网络层"></a>网络层</h2><p>传输层可能大家刚接触的时候，会认为它负责将数据从一个设备传输到另一个设备，事实上它并不负责。</p>
<p>实际场景中的网络环节是错综复杂的，中间有各种各样的线路和分叉路口，如果一个设备的数据要传输给另一个设备，就需要在各种各样的路径和节点进行选择，而传输层的设计理念是简单、高效、专注，如果传输层还负责这一块功能就有点违背设计原则了。</p>
<p>也就是说，我们不希望传输层协议处理太多的事情，只需要服务好应用即可，让其作为应用间数据传输的媒介，帮助实现应用到应用的通信，而实际的传输功能就交给下一层，也就是<strong>网络层</strong>（<em>Internet Layer</em>）。</p>
<p>网络层最常使用的是 IP 协议（<em>Internet Protocol</em>），IP 协议会将传输层的报文作为数据部分，再加上 IP 包头组装成 IP 报文，如果 IP 报文大小超过 MTU（以太网中一般为 1500 字节）就会<strong>再次进行分片</strong>，得到一个即将发送到网络的 IP 报文。</p>
<p>网络层负责将数据从一个设备传输到另一个设备，世界上那么多设备，又该如何找到对方呢？因此，网络层需要有区分设备的编号。</p>
<p>我们一般用 IP 地址给设备进行编号，对于 IPv4 协议， IP 地址共 32 位，分成了四段，每段是 8 位。只有一个单纯的 IP 地址虽然做到了区分设备，但是寻址起来就特别麻烦，全世界那么多台设备，难道一个一个去匹配？这显然不科学。</p>
<p>因此，需要将 IP 地址分成两种意义：</p>
<ul>
<li>一个是<strong>网络号</strong>，负责标识该 IP 地址是属于哪个子网的；</li>
<li>一个是<strong>主机号</strong>，负责标识同一子网下的不同主机；</li>
</ul>
<p>怎么分的呢？这需要配合<strong>子网掩码</strong>才能算出 IP 地址 的网络号和主机号。那么在寻址的过程中，先匹配到相同的网络号，才会去找对应的主机。</p>
<p>除了寻址能力， IP 协议还有另一个重要的能力就是<strong>路由</strong>。实际场景中，两台设备并不是用一条网线连接起来的，而是通过很多网关、路由器、交换机等众多网络设备连接起来的，那么就会形成很多条网络的路径，因此当数据包到达一个网络节点，就需要通过算法决定下一步走哪条路径。</p>
<p>所以，<strong>IP 协议的寻址作用是告诉我们去往下一个目的地该朝哪个方向走，路由则是根据「下一个目的地」选择路径。寻址更像在导航，路由更像在操作方向盘</strong>。</p>
<h2 id="数据链路层"><a href="#数据链路层" class="headerlink" title="数据链路层"></a>数据链路层</h2><p>实际场景中，网络并不是一个整体，比如你家和我家就不属于一个网络，所以数据不仅可以在同一个网络中设备间进行传输，也可以跨网络进行传输。</p>
<p>一旦数据需要跨网络传输，就需要有一个设备同时在两个网络当中，这个设备一般是路由器，路由器可以通过路由表计算出下一个要去的 IP 地址。</p>
<p>那问题来了，路由器怎么知道这个 IP 地址是哪个设备的呢？</p>
<p>于是，就需要有一个专门的层来标识网络中的设备，让数据在一个链路中传输，这就是<strong>数据链路层</strong>（<em>Data Link Layer</em>），它主要为网络层提供链路级别传输的服务。</p>
<p>每一台设备的网卡都会有一个 MAC 地址，它就是用来唯一标识设备的。路由器计算出了下一个目的地 IP 地址，再通过 ARP 协议找到该目的地的 MAC 地址，这样就知道这个 IP 地址是哪个设备的了。</p>
<h2 id="物理层"><a href="#物理层" class="headerlink" title="物理层"></a>物理层</h2><p>当数据准备要从设备发送到网络时，需要把数据包转换成电信号，让其可以在物理介质中传输，这一层就是<strong>物理层</strong>（<em>Physical Layer</em>），它主要是为数据链路层提供二进制传输的服务。</p>
<h2 id="总结"><a href="#总结" class="headerlink" title="总结"></a>总结</h2><p>综上所述，网络协议通常是由上到下，分成 5 层，分别是应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。</p>
<h2 id="参考链接"><a href="#参考链接" class="headerlink" title="参考链接"></a>参考链接</h2><p><a target="_blank" rel="noopener" href="https://mp.weixin.qq.com/s/lroONaj5dVM0z7MD7DPE_A">摸清网络的第一步！</a></p>

  </div>
  <div>
    
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</article>
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<ol class="toc"><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#%E5%89%8D%E8%A8%80"><span class="toc-text">前言</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#%E5%BA%94%E7%94%A8%E5%B1%82"><span class="toc-text">应用层</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#%E4%BC%A0%E8%BE%93%E5%B1%82"><span class="toc-text">传输层</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#%E7%BD%91%E7%BB%9C%E5%B1%82"><span class="toc-text">网络层</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#%E6%95%B0%E6%8D%AE%E9%93%BE%E8%B7%AF%E5%B1%82"><span class="toc-text">数据链路层</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#%E7%89%A9%E7%90%86%E5%B1%82"><span class="toc-text">物理层</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#%E6%80%BB%E7%BB%93"><span class="toc-text">总结</span></a></li><li class="toc-item toc-level-2"><a class="toc-link" href="#%E5%8F%82%E8%80%83%E9%93%BE%E6%8E%A5"><span class="toc-text">参考链接</span></a></li></ol>
</div></main>
            <aside class="left-column">
              
              <div class="card card-author">
                
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    alt="author avatar">

<p class="author-name">霜序廿</p>
<p class="author-description">无限进步</p>
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    var img = document.querySelectorAll('.post-content img')
    var i
    for (i = 0; i < img.length; i++) {
      var wrapper = document.createElement('a')
      wrapper.setAttribute('href', img[i].getAttribute('data-src'))
      wrapper.setAttribute('aria-label', 'illustration')
      wrapper.style.cssText =
        'width: 100%; display: flex; justify-content: center;'
      if (img[i].alt) wrapper.dataset.caption = img[i].alt
      wrapper.dataset.nolink = true
      img[i].before(wrapper)
      wrapper.append(img[i])
      var divWrap = document.createElement('div')
      divWrap.classList.add('gallery')
      wrapper.before(divWrap)
      divWrap.append(wrapper)
    }
    baguetteBox.run('.gallery')
  }
</script>
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  loadScript(
    "/js/lib/lightbox/baguetteBox.min.js",
    addImgLayout
  )
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      <script>
        var addLazyload = function () {
          var observer = lozad('.lozad', {
            load: function (el) {
              el.srcset = el.getAttribute('data-src')
            },
            loaded: function (el) {
              el.classList.add('loaded')
            },
          })
          observer.observe()
        }
      </script>
      <script>
        loadScript('/js/lib/lozad.min.js', addLazyload)
      </script>
     
    
    
  </body>
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